KR20120058273A - 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지 - Google Patents

유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지에 관한 것으로, Y축 슬라이더(100, 110)에 결합되어 갠트리 스테이지(130)와, 상기 갠트리 스테이지에 결합되어 X축 슬라이딩을 구현하는 X축 슬라이더(140)를 포함하여 구성되는 이송 스테이지에 있어서, 상기 갠트리 스테이지 양단에 구비되어 Y축 슬라이더와 연결되는 것으로, 몸체(210)와 회전부(220)로 구비되며, 상기 회전부는 몸체에 판스프링(230)으로 연결되어 회전변위에 대응하는 유연부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 이송 스테이지의 Z축 방향 회전 변위를 실시간으로 보상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지{stage with flexure joint for compensation of yaw error}
본 발명은 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 회전변위에 따라 대응하여 회전 오차를 보상하기 유연성을 가지는 유연부를 구비한 유연기구를 이용한 회전 오차(Yaw error) 보상 스테이지에 관한 것이다.
일반적으로, 시편이송스테이지는 측정 또는 가공 대상물(이하, 시편이라 통칭함)의 검사, 가공 공정에 사용되는 장비로서, 시편을 탑재하여 원하는 장소로 정확히 이송하는 장치를 말한다. 이러한 시편이송스테이지는 반도체, FPD 산업을 비롯하여, IC fabrication, PCB 가공, MEMS 및 생화학 시편 검사 등 광범위한 산업 분야에서 높은 시편이송 정밀도를 요구하는 검사장비 또는 정밀가공장비에 응용된다.
도 1은 시편 이송 스테이지의 회전 모션에 대한 개념도이다. 높은 위치 정밀도를 요구하는 시편이송스테이지는 모션을 구동하기 위한 구동부로 주로 선형 모터를 사용하고, 가이드 메커니즘으로 공기 베어링 가이드나 ball retainer type LM 가이드로 구성된다. 위치 측정 센서로서 선형 엔코더를 이용하거나 바 타입의 미러와 인터페로미터를 이용한다. 일반적인 X축과 Y축으로 구동되는 스테이지상에서 Z축 회전 오차는 정밀도에 큰 영향을 미친다. 이를 위해 별도의 구동부를 장착한 스테이지가 있다. Z축 회전 오차의 발생 원인으로 시편의 초기 정렬 오차, 스테이지 구조와 가이드 메커니즘의 기구적인 제작 및 조립 공차, 열변형, Y축 구동을 위한 Y1, Y2 양축의 완벽하지 못한 동기화 등의 이유로 인하여 불가피하게 발생한다.
Y1과 Y2축과 갠트리 스테이지 사이에 Z축 회전을 허용하기 위해 다양한 형태의 회전 기구가 제안 되었다. 도면 2에서 회전 자유도를 판스프링의 비틀림 강성을 이용하였다. 이때, 회전 모션의 변위는 판스프링의 비틀림 강성으로 제한되고, 판스프링의 굽힘강성이 약하기 때문에 전체 X축 모션 강성이 저하된다. 도 4에서는 Z축 회전을 보상하기 위해 Y1 축에 노치 힌지를 장착하여 회전을 허용하고 Y2축에는 선형 모터의 회전을 막기 위해 회전 조인트를 연결한 판스프링을 이용하였다. 이 구조는 비대칭 회전이 발생하고, 모션 구동 시 Y축 구동 시 강성이 낮은 단점이 있다.
일반적인 회전 오차 보상 방법은 회전 변위만큼 Y1축과 Y2축에 위치 정보에 반영하여 구현된다. 상기 방법으로 회전 오차를 보상 시 갠트리 스테이지의 Z축 회전으로 인한 X축 방향의 길이 변화가 도 1과 같이 발생한다. X축 위치 변화는 스테이지의 구조와 가이드 메커니즘에 과잉 구속을 발생시키어 변형이나 마모될 위험이 발생한다. 유럽특허(2007-07001458)에서는 회전 오차에 대한 자유도를 판스프링의 굽힘 운동을 통해 해결하였다. 이는 다른 방향의 강성 저하를 유도하여 구조 강성을 저하 시킨다.
한국특허(2004-0048118)에서는 회전 모션의 가이드로 Y1축에서는 회전 베어링을 사용하여 구현하고, Y2축에서는 랙 엔 피니어 기어를 사용하였다. 상기 특허는 회전 모션 구동시 마찰에 의해 회전 정밀도가 낮다.
상기 명시된 특허들은 모두 Z축 회전을 모두 허용하지만, 회전에 따른 X축 병진 모션의 자유도는 회전 메커니즘 자체에서 해결하려 하였다. 따라서 전체 스테이지의 구조 강성 저하의 문제가 발생한다. 또한, 회전 메커니즘 자체도 마찰을 수반하여 정밀 회전 모션 구현이 어렵다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 시편 이송스테이지의 Z축 회전 오차를 실시간으로 보상하기 위하여 회전 강성을 제외한 5자유도에 대해 고강성으로 무마찰 회전 모션이 가능한 유연부를 장착한 회전 가능한 시편 이송스테이지를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 회전에 의한 X축 병진 모션을 허용하기 위해 LM 가이드를 장착하여 큰 회전 변위에 대한 스테이지의 변형을 허용하여 효과적으로 변위에 대응할 수 있는 이송스테이지를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, Y축 슬라이더에 결합되어 갠트리 스테이지와, 상기 갠트리 스테이지에 결합되어 X축 슬라이딩을 구현하는 X축 슬라이더를 포함하여 구성되는 이송 스테이지에 있어서, 상기 갠트리 스테이지 양단에 구비되어 Y축 슬라이더와 연결되는 것으로, 몸체와 회전부로 구비되며, 상기 회전부는 몸체에 판스프링으로 연결되어 회전변위에 대응하는 유연부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유연부는, 상기 회전부가 몸체가 다수의 판스프링으로 연결되며, 대칭적으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유연부는, 상기 판스프링의 길이를 증가시키거나, 개수를 조절하여 Z축 방향 회전 변위를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유연부는, 두께를 늘리거나 판스프링의 두께를 늘려 Z축 회전 강성을 제외한 5자유도의 강성을 높이는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유연부는, 상기 몸체, 회전부, 판스프링이 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스테이지는, 위치 측정을 위한 레이저 간섭계 또는 선형 엔코더를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스테이지는, 베이스프레임을 구비하고, 상기 베이스프레임에 구비된 Y축 가이드 레일에 따라 상기 Y축 슬라이더가 이동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Y축 슬라이더는, 상기 가이드 레일과 공기 베어링 또는 LM 가이드에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 갠트리 스테이지 한쪽에 구비되는 상기 유연부는 몸체 양단으로 LM 가이드를 더 포함하여 구성되며, 상기 LM 가이드에 의해 X축 병진 모션을 허용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유연부는, 상기 회전부에 결합홈을 구비하고 상기 결합홀을 통해 상기 갠트리 스테이지와 고정되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 Z축 회전 회전을 허용하도록 유연 기구를 사용한 형태로 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
시편 이송스테이지의 Z축 회전 오차에 대해 Z축 회전 허용 유연부로 인하여 실시간으로 회전 오차를 보상할 수 있고, Y2축에 장착한 X축 병진 모션을 허용하기 위한 LM 가이드를 통해 장행정 회전 변위 구동이 가능한 이점이 있다.
또한, 유연부의 Z축 회전 모션에 대한 강성을 제외하고 모든 방향에 대해 고강성을 갖는 구조로 설계하여 시편이송스테이지의 동특성을 향상 시켜서 빠른 안착 시간과 높은 제어 주파수를 가질 수 있고, 별도의 구동시스템 없이 단순 구조물로 효과적인 회전 오차를 보상할 수 있는 장점이 있다.
더불어, 시편 이송스테이지가 사용되는 공정에 대해 높은 생산 수율을 가질 수 있는 이점이 있다.
도 1은 시편 이송 스테이지의 회전 모션에 대한 개념도,
도 2는 종래 기술에 따른 일예로 슬라이드의 변형방지기구를 도시한 사시도,
도 3은 종래 기술에 따른 다른 예로 슬라이드의 변형방지기구를 도시한 사시도,
도 4는 종래 기술에 따른 또 다른 예로 슬라이드의 변형방지기구를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지의 개략적인 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지의 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 유연부를 나타낸 상면도,
도 8은 본 발명에 따른 유연부를 나타낸 정면도,
도 9는 본 발명에 따른 유연부를 나타낸 사시도,
도 10은 본 발명에 따른 유연부를 나타낸 후면 사시도,
도 11은 본 발명에 따른 유연부의 회전 변위된 상태를 나타낸 상태도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지는 Y축 슬라이더(100, 110)에 결합되어 갠트리 스테이지(130)와, 상기 갠트리 스테이지에 결합되어 X축 슬라이딩을 구현하는 X축 슬라이더(140)를 포함하여 구성되는 이송 스테이지에 있어서, 상기 갠트리 스테이지 양단에 구비되어 Y축 슬라이더와 연결되는 것으로, 몸체(210)와 회전부(220)로 구비되며, 상기 회전부는 몸체에 판스프링(230)으로 연결되어 회전변위에 대응하는 유연부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스테이지는, Y축 방향으로 슬라이딩되는 슬라이더와 갠트리 스테이지간을 Z축 방향 회전 강성을 제외한 5자유도에 대해 고강성으로 무마찰 회전 모션이 가능한 유연부(200)를 설치하여 실시간으로 회전 오차를 보상할 수 있는 것을 기술적 요지로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지의 개략적인 사시도, 도 6은 본 발명에 따른 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지의 단면도이다. 도 5를 통해 본 발명에 따른 일실시예로 시편 이송스테이지의 개략적인 구성도를 살펴보지만, 본 발명에서 설명되는 시편 이송스테이지는 일예에 불과할 뿐 다양한 형태의 스테이지가 적용 가능함은 물론이다.
시편 이송스테이지의 구성을 살펴보면, 우선, 베이스프레임(120)이 위치하고, 상기 베이스프레임 양측으로는 Y축 슬라이더 1(100)과 Y축 슬라이더 2(110)가 슬라이딩 이동할 수 있도록 가이드 레일(150)이 각각 구비된다. 또한, X축 모션을 구현하기 위한 갠트리 스테이지(130)가 상기 Y축 슬라이더와 고정되어 구비되며, 상기 갠트리 스테이지에서 X축 방향으로 이동하는 X축 슬라이더(140)가 결합되어 있다.
또한, Y축 슬라이더 1,2를 구동시키기는 선형 모터(160)가 베이스프레임에 고정되어 상기 Y축 슬라이더를 구동시키며, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 Y축 슬라이더와 가이드레일은 공기 베어링 또는 LM 가이드로 연결될 수 있다. 또한, 스테이지 이송에 따른 위치 검출을 위한 측정부(250)가 레이저 간섭계 또는 엔코더를 구비하여 정확한 위치 검출을 수행한다.
다음으로, 본 발명에 따른 요지 구성에 해당하는 유연부를 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 유연부를 나타낸 상면도, 도 8은 본 발명에 따른 유연부를 나타낸 정면도, 도 9는 본 발명에 따른 유연부를 나타낸 사시도, 도 10은 본 발명에 따른 유연부를 나타낸 후면 사시도이다. 본 발명에 따른 유연부(200)는 소정크기의 패널 형상을 가지는 몸체(210)와 상기 몸체 중앙에 구비되는 회전부(220) 및 상기 회전부에 몸체에 대해 탄성력을 받고 Z축 방향에 대해 회전 변위를 가지며, 상기 회전부는 몸체에 판스프링(230)으로 구비된다. 바람직한 예로 패널 형상의 몸체를 준비한 후 레이저 가공을 통해 절단하여 중앙에 회전부를 제작할 수 있으며, 절단 가공을 통해 판스프링도 일체로 가공되는 것이다. 이러한 유연부는 바람직하게 합금재질로 제작하며, 판스프링의 탄성계수값이 가장 중요하므로 적정 탄성계수에 따라 재료를 선택할 수 있다. 하지만, 상기 유연부 제작은 일예로 설명한 것이며, 각각의 구성을 별도로 준비한 후 결합하는 방식이 적용될 수도 있다.
Z축 회전 변위를 갖도록 구비되는 유연부는 Z축 회전 변형을 허용하기 위한 충분한 회전 변형량을 가져야 하며, 정밀도 성능에 영향을 주는 마찰을 배제하기 위해 무마찰 유연부로 구성되고, 회전 자유도를 제외한 5자유도 방향으로 높은 강성의 구조를 가지며, 열변형에 대응하기 위하여 대칭 구조를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 유연부는 기본적으로 도면에 도시된 바와 같이 8개의 판스프링으로 구성된다. 동일한 8개의 판스프링은 동일한 회전 각도로 회전부에 장착된다. Z축 회전 방향의 모멘트가 유연부에 작용할 때 모든 판스프링은 동일하게 굽힘 방향의 모멘트와 축 방향으로 인장하는 힘이 발생된다. 이때 발생하는 힘의 방향은 판스프링에서 가장 작은 강성을 갖는 부분이어서 Z축 회전 방향의 강성이 상기 유연부의 전체 6자유도 강성에서 가장 작은 구조이다.
또한, 상기 유연부에 구성된 판스프링의 길이를 증가시킴으로써 Z축 방향 회전 변위를 증가시킬 수 있고, 유연부의 두께를 늘리거나 판스프링의 두께를 증가시킴으로써 Z축 회전 강성을 제외한 5자유도의 강성을 늘릴 수 있다.
또한, 설계에 따라 판스프링의 개수를 늘리거나 줄여서 Z축 회전 방향을 허용하는 유연부를 다양하게 구성할 수 있다. 본 유연 기구는 특히, X축과 Y축 방향 병진 강성이 높아서 시편이송스테이지의 구조 강성을 저하 시키지 않는다. 높은 시스템의 구조 강성은 시편이송스테이지의 주요 성능 지표인 안착 시간과 정지 상태의 안정성을 높일 수 있다.
또한, 상기 회전부는 몸체의 전면에서 조금 돌출된 구조를 가지며, 상기 회전부가 갠트리 스테이지(갠트리 빔)에 연결되며, 도면에 도시하지는 않았지만, 회전부에 결합홀을 구비하여 상기 갠트리 스테이지와 나사 결합될 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 유연부의 회전 변위된 상태를 나타낸 상태도이다. 도시된 바와 같이 Y축 슬라이더 이송에 따른 회전 오차가 발생하면, 갠트리 스테이지에 각각 연결된 유연부의 회전부가 회전변위를 갖게 되어 회전 오차를 실시간으로 보상한다.
한편, 갠트리 스테이지 양쪽에 각각 설치된 유연부 중 하나의 유연부에는 LM 가이드(240)가 몸체 양측으로 각각 구비되어 회전에 의한 X축 병진 모션을 허용한다. 이는 큰 회전 변위에 대한 스테이지 변형을 허용하기 위한 것이다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 실시간으로 회전 오차를 보정할 수 있는 이점이 있다. 이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : Y축 슬라이더 1 110 : Y축 슬라이더 2
120 : 베이스플레이트 130 : 갠트리 스테이지
140 : X축 슬라이더 150 : Y축 가이드레일
160 : 선형모터 200 : 유연부
210 : 몸체 220 : 회전부
230 : 탄성부재 240 : LM가이드
250 : 측정부(간섭계 또는 엔코더)

Claims (10)

  1. Y축 슬라이더에 결합되어 갠트리 스테이지와, 상기 갠트리 스테이지에 결합되어 X축 슬라이딩을 구현하는 X축 슬라이더를 포함하여 구성되는 이송 스테이지에 있어서,
    상기 갠트리 스테이지 양단에 구비되어 Y축 슬라이더와 연결되는 것으로, 몸체와 회전부로 구비되며, 상기 회전부는 몸체에 판스프링으로 연결되어 회전변위에 대응하는 유연부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유연부는,
    상기 회전부가 몸체가 다수의 판스프링으로 연결되며, 대칭적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 유연부는,
    상기 판스프링의 길이를 증가시키거나, 개수를 조절하여 Z축 방향 회전 변위를 증가시키는 것을 특징으로 하는 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유연부는,
    두께를 늘리거나 판스프링의 두께를 늘려 Z축 회전 강성을 제외한 5자유도의 강성을 높이는 것을 특징으로 하는 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유연부는,
    상기 몸체, 회전부, 판스프링이 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 스테이지는,
    위치 측정을 위한 레이저 간섭계 또는 선형 엔코더를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 스테이지는,
    베이스프레임을 구비하고, 상기 베이스프레임에 구비된 Y축 가이드 레일에 따라 상기 Y축 슬라이더가 이동하는 것을 특징으로 하는 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 Y축 슬라이더는,
    상기 가이드 레일과 공기 베어링 또는 LM 가이드에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 갠트리 스테이지 한쪽에 구비되는 상기 유연부는 몸체 양단으로 LM 가이드를 더 포함하여 구성되며, 상기 LM 가이드에 의해 X축 병진 모션을 허용하는 것을 특징으로 하는 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 유연부는,
    상기 회전부에 결합홈을 구비하고 상기 결합홀을 통해 상기 갠트리 스테이지와 고정되는 것을 특징으로 하는 유연기구를 이용한 회전 오차 보상 스테이지.

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